Physique des particules : CMS mesure la masse du boson W avec une précision record

Le boson W, l'un des médiateurs avec le boson Z de l'interaction faible, est une particule clé du Modèle Standard. À partir de paramètres tels que la masse du boson de Higgs et du quark top, la valeur de la masse du W prédite par la théorie est de 80 355 ± 6 MeV.  La masse du boson W, du boson de Higgs et du quark top sont structurellement reliées dans le Modèle standard, une précision accrue sur les mesures expérimentales de ces paramètres peut donc révéler des tensions qui seraient un signe de nouvelle physique.

Après analyse d’une partie des données collectées au LHC en 2016, soit environ 100 millions d'événements liés aux bosons W, le plus grand échantillon jamais utilisée pour cette mesure, CMS a annoncé en septembre 2024 avoir atteint la précision la plus élevée à ce jour au LHC, avec 𝑚𝑊 = 80 360.2 ± 9.9 MeV. Ce résultat, en parfait accord avec la prédiction théorique, renforce les fondations du Modèle Standard, en dépit de la divergence notable annoncée par la collaboration CDF en 2022. Cette dernière avait mesuré une valeur incompatible avec les prédictions théoriques et avec les résultats obtenus par d’autres expériences telles que celles menées au LEP, au Tevatron ou par les collaborations ATLAS et LHCb (cf encadré).

Défi expérimental majeur

Alors que les bosons W sont produits en abondance au LHC, la mesure de leur masse constitue un défi expérimental majeur. En effet, lorsqu'ils sont produits au centre du détecteur CMS lors d'une collision proton-proton au LHC, ils se désintègrent presque instantanément en d'autres particules. La masse ne peut donc pas être mesurée de façon directe sur les bosons, mais uniquement à travers l’analyse très fine des produits de leur désintégration. Les scientifiques de la collaboration CMS ont donc choisi de se concentrer sur la désintégration simultanée en muon et en neutrino des bosons W. Les neutrinos échappant à la détection directe par le détecteur, seuls le quantité de mouvement des muons peut être déterminée avec précision. Le résultat de CMS repose donc sur une mesure très précise des distributions de la quantité de mouvement transverse et de la pseudorapidité, en s’appuyant sur une reconstruction et une calibration extrêmement précises des muons, ainsi que sur des prédictions théoriques de pointe. 

L'une des principales difficultés de cette analyse a été de valider que la modélisation des données était correcte et que la valeur de la masse du W extraite n'était pas biaisée. Pour ce faire, CMS s’est référé à une autre particule, le boson Z dont la masse est bien connue et se désintègre en deux muons qui sont clairement détectés par CMS. En ignorant l'un des deux muons, c'est-à-dire en le traitant comme un neutrino, ils ont pu mesurer la masse du boson Z exactement de la même manière que celle du boson W. Ceci est rendu possible par un étalonnage de l'impulsion du muon déterminé sans utiliser de données sur le boson Z. Une cohérence remarquable est observée dans ces tests, ce qui exclut la présence de toute source de biais expérimental dans la mesure.

En France, les membres de la collaboration CMS du Laboratoire Leprince Ringuet (LLR, CNRS, École Polytechnique) ont joué un rôle important dans cette analyse sophistiquée, tant dans son développement que dans sa révision, effort qui s’est étendu sur plusieurs années : Andrew Gilbert a apporté un leadership essentiel au cours des deux dernières années en tant que coordinateur du groupe des mesures du Modèle Standard, guidant le processus de révision. Par ailleurs, Roberto Salerno, actuellement coordinateur de la physique de CMS, continue de superviser et d’appuyer ces travaux.